Wstęp

W wyniku promieniotwórczości, czyli samorzutnego rozpadu jąder mamy do czynienia z emitowaniem cząstek alfa, beta oraz promieniowaniem gamma. Na radioaktywność pierwiastków nie ma wpływu: pole magnetyczne, temperatura, stan skupienia substancji promieniotwórczej. Promieniotwórczość dzielimy na:

- promieniotwórczość naturalna, która następuje w czasie przemian jądrowych izotopów radioaktywnych występujących w środowisku naturalnym. W środowisku naturalnym występuje ponad 60 izotopów radioaktywnych. Promieniotwórczość naturalna, to tło, w którym możliwe jest życie, wywołuje jednak zmiany genetyczne. Tkanki żywe są w jednak w stanie eliminować te szkodliwe zmiany dzięki procesom naprawczym powstałym na skutek ewolucji.

- promieniotwórczość sztuczna, która zachodzi w jądrach atomów pierwiastków radioaktywnych otrzymywanych sztucznie. Ma miejsce bombardowanie cząstkami alfa oraz beta jąder stabilnych pierwiastków.

Najprostsza definicja promieniowania to: promieniowanie to wysyłanie oraz przekazywanie energii na różne odległości. Mamy do czynienia z trzema głównymi rodzajami promieniowania:

- promieniowanie elektromagnetyczne;

- promieniowanie jądrowe;

- promieniowanie energii fal sprężystych.

Zarys historyczny

Promieniowanie elektromagnetyczne mogące przeniknąć ciało stałe odkrył w 1895r. W. Roentgen. Naukowiec ten był bardzo zaskoczony odkryciem, i nowie promieniowanie nazwał promieniami X.

H. Becquerel w 1896r. podczas badania uranu dostrzegł, ze klisza fotograficzna leżąca obok tego pierwiastka uległa ściemnieniu, choć nie miała dostępu do promieni słonecznych. Francuski fizyk doszedł do wniosku, że uran jest w stanie wysyłać promieniowanie. Ogłosił, że pierwiastek ten w stanie metalicznym może być źródłem promieniowania.

Piotr Curie oraz jego żona Maria zainteresowali się nowym zjawiskiem. Odkryli rad oraz polon. Rozpisali promieniotwórczość toru oraz uranu. Pierwiastki te należą do najbardziej popularnych oraz najważniejszych naturalnych pierwiastków radioaktywnych.

Maria Curie- Skłodowska, Piotr Curie oraz H. Becquerel w 1903r. otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie promieniotwórczości oraz przeprowadzone badania w tym zakresie.

Fryderyk Joliot- Curie oraz jego żona Irena odkryli promieniotwórczość sztuczną w 1934r. Otrzymali oni fosfor w wyniku bombardowania jądrami helu atomów glinu. Otrzymali Nagrodę Nobla w 1935r. za swoje osiągnięcia w tej dziedzinie.

Zjawisko promieniotwórczości

H. Becquerel odkrył niewidoczne dla ludzkiego oka słabe promieniowanie, które jest wysyłane przez substancje zawierające pierwiastek uran. Substancje są nazwane radioaktywnymi lub promieniotwórczymi. Pierwiastki radioaktywne wykazują następujące właściwości:

- powodują zaczernienie kliszy fotograficznej;

- powodują wysyłanie ciepła oraz w czystym stanie mogą świecić w ciemnościach;

- powodują luminescencję substancji (np. siarczek cyjanku);

- powodują działania chemiczne, w wyniku promieniowania tlen ulega zamianie w ozon, woda i chlorowodór mogą ulec rozkładowi.

Naturalne źródło promieniowania

Człowiek przez cały okres swojego życia jest narażony na promieniowanie. Szkodliwość dawki promieniowania jest uzależniona od składników mineralnych gruntu oraz jego miejsca pobytu oraz także od wysokości n.p.m.

Źródła promieniowania naturalnego (promieniowanie tła) to:

- promieniowanie ziemskie, które ma miejsce, w wyniku występowania w skorupie ziemskiej izotopów pierwiastków promieniotwórczych;

- węgiel C14, który określa wiek skamieniałości;

- uran, który jest stosowany w reaktorach atomowych;

- promieniowanie kosmiczne, o którym po raz pierwszy dowiedziano się w roku 1912. Jest to strumień protonów, jąder innych pierwiastków oraz cząstek, których w dalekiej przestrzeni kosmosu dobiega do zewnętrznych warstwy atmosfery. Dochodzi do zderzenia cząstek występujących w atmosferze z cząsteczkami dobiegającymi z kosmosu. Powstają kaskady elektronów, protonów, neutronów oraz neutrin. Uzyskiwane są w ten sposób izotopy promieniotwórcze o dużym znaczeniu biologicznym (22Na, 7Be, 14C);

- promieniowanie pochodzące z budynków, które wynika z użycia złych materiałów budowlanych (granit). Do materiałów budowlanych dodajemy żużel oraz popiół z pieców, które zawierają pewne ilości promieniotwórczego węgla;

- radon, który gromadzi się w budynkach, które nie są przewietrzane. Wydziela się z gleby. Z tego źródła uzyskujemy dużą dawkę promieniowania, dlatego zalecane jest wietrzenie pomieszczeń;

- radon zawarty w powietrzu, który może być emitowany z wód mineralnych;

- radionuklidy, które występują w organizmie ludzkim (226Ra, 40K, 218Po);

- krypton, który jest bardzo promieniotwórczy oraz szkodliwy.

Rodzaje promieniowania

Jak już wcześniej wspomniano promieniowanie to wysyłanie oraz przekazywanie energii na różne odległości. Wyróżniamy następujące rodzaje promieniowania:

1. Promieniowanie radiowe, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali (mikrofale 10-4-1 m, fale ultrakrótkie 1-10m, fale krótkie 10-100m, fale średnie 100-1000m, fale długie 1k-100km). Głównym źródłem fal są nadajniki radiowe oraz radioźródła. Ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w medycynie, radiokomunikacji, grzejnictwie.

2. Promieniowanie mikrofalowe, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali 1m- 0,1 mm. Częstotliwość wynosi 300 MHz-3000 GHz. Ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w komunikacji, medycynie, grzejnictwie elektrycznym oraz radiolokacji.

3. Promieniowanie podczerwone, czyli podczerwień, promieniowanie IR, jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali od 780 nm do 1 mm. Promieniowanie podczerwone dzielimy na: promieniowanie podczerwone bliskie, promieniowanie podczerwone średnie oraz promieniowanie podczerwone dalekie. Promieniowanie podczerwone może być emitowane przez rozgrzane ciała, lampy żarowe oraz wyładowcze. Ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w min. suszeniu.

4. Promieniowanie jonizujące, które może powstawać w wyniku przemian jądrowych. Zmianie ulega liczba nukleonów w jądrze. Rozpadowi ulęgają tylko pierwiastki radioaktywne. W wyniku tej reakcji powstaje nowe pierwiastki radioaktywne odznaczające się innymi właściwościami. Rozpad radioaktywny to statystyczny proces. Nie każdy izotop zdolny jest do rozpadu. Liczba neutronów powinna być większa niż liczba protonów. Jest to warunek konieczny do spełnienia, ponieważ tylko wtedy siły wzajemnego oddziaływania jądrowego są nie są w stanie utrzymać jądra w stabilności. Tylko w takim wypadku są możliwe silne oddziaływania jądrowe. W przypadku, gdy ilość neutronów jest duża, to atom zmuszony jest do wyemitowania niepotrzebnych cząstek i energii. Taki proces nazywamy promieniowaniem jonizującym.

5. Promieniowanie alfa to emitowane jądra atomu helu, które składają się z dwóch neutronów oraz dwóch protonów. Promieniowanie alfa może powstać w wyniku rozpadu tylko ciężkich jąder. Promieniowanie to jest jądrem helu. Wysyłane jest w wyniku przemian, które zachodzą w jądrze danego atomu. W wyniku emitowania cząstki alfa jądro atomowe traci 4 nukleony.

6. Promieniowanie beta tworzą elektrony ( pozytony lub negatony) powstałe w wyniku rozpadu jądra atomowego. W reakcji, w której neutron ulega przemianie w proton emitowany jest elektron, a przemianę nazywamy beta minus. Liczba atomowa nowego jądra zwiększa się o jeden, w stosunku do liczby atomowej macierzystego jądra. Jeżeli w jądrze mamy do czynienia z powstaniem nautronu z protonu, to reakcji towarzyszy emisja pozytonu, a przemiana ta to promieniowanie beta plus. Liczba atomowa nowego pierwiastka jest mniejsza od liczby atomowej macierzystego jądra.

W przypadku emisji cząstki ze znakiem minus mamy do czynienia z przemiana neutronu w proton. Wraz z ta reakcją ma miejsce emisja antyneutrino. W wyniku tej przemiany powstały pierwiastek ma taką samą liczbę masową, ale inna liczbą atomową. Liczba atomowa jest większa o 1. W przypadku emisji cząstki ze znakiem plus mamy do czynienia z przemiana protonu w neutron. W wyniku tej reakcji emitowany jest neutrino. Powstały w skutek tej reakcji pierwiastek charakteryzuje się taką samą liczbą masową, ale inna liczbą atomową. Liczba atomowa zmniejsza się o 1.

7. Promieniowanie gamma jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego powodującego emitowanie przez jądra wzbudzone atomów radioaktywnych. Promieniowanie gamma nie jest promieniowaniem cząstkowym jak w przypadku promieniowania alfa lub beta, jednakże zasięg tego promieniowania jest znacznie większy. To promieniowanie krótkofalowe, elektromagnetyczne o długości fali 10-11 m. Może być emitowane przez wzbudzone lub promieniotwórcze jądra atomowe oraz w procesie anihilacji pary elektronów (negaton)-pozyton.

8. Promieniowanie rentgenowskie jest także promieniowaniem elektrostatycznym i powstaje wskutek hamowania strumienia elektronów przez jądra atomów substancji radioaktywnych. Promieniowanie rentgenowskie nie jest dostrzegalne dla oka, jest prostolinijne, może przenikać ludzkie ciało, powoduje reakcje redukcji związków srebra, działa destrukcyjnie na żywa tkankę, potrafi zjonizować gaz oraz spowodować fluorescencje substancji.

Jest to promieniowanie o długości fali wynoszącej 0,0001-100 nm. Dzielimy je na: promieniowanie twarde o większej przenikliwości oraz promieniowanie miękkie o mniejszej przenikliwości. Źródłem promieniowania rentgenowskiego mogą być: pierwiastki promieniotwórcze, akceleratory cząstek, lampy rentgenowskie. Ten rodzaj promieniowania znalazł zastosowanie w medycynie (prześwietlenia) oraz w badaniu struktury kryształów.

9. Promieniowanie nadfioletowe, czyli ultrafiolet lub promieniowanie ultrafioletowe, to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali wynoszącej 10-400 nm. Promieniowanienadfioletowe dzielimy na: promieniowanie A, promieniowanie B, promieniowanie C oraz nadfiolet próżniowy. Najsilniejszym źródłem tego promieniowania jest Słońce.

10. Promieniowanie kosmiczne, które zostało odkryte w roku 1912, to cząstki dobiegające do zewnętrznych części atmosfery ziemskiej z Kosmosu. W jego skład wchodzą: protony, cząstki oraz jądra pierwiastków. Zachodzi zderzenie z atomami oraz cząsteczkami wchodzącymi w skład atmosfery, powstają kaskady pozytonów, protonów, elektronów, neutrin ( promieniowanie wtórne), które dobiegają do powierzchni kuli ziemskiej. Wzrasta jonizacja powietrza, powstają izotopy o dużym znaczeniu biologicznym (7Be, 22Na, 14C).

11. Promieniowanie słoneczne, pod postacią strumienia fal elektromagnetycznych oraz cząstek elementarnych dociera ze Słońca. 30% fal tego promieniowania ulega odbiciu od atmosfery, 20% jest pochłanianych, zaś 50% dociera do Ziemi.

12. Promieniowanie reliktowe, nazywane także promieniowaniem tła, to promieniowanie mikrofalowe, które stanowi pozostałość po etapach ewolucji. Wypełnia cały Wszechświat w postaci m.in. kwantów.

Zastosowanie promieniotwórczości

Przy odpowiednim dawkowaniu, promieniowanie jonizujące może być wykorzystywane do różnych celów. Promieniowanie ma bardzo duże zastosowanie, jest niezbędne do poznania oraz zrozumienia ewolucji Wszechświata.

Włoski naukowiec Enrico Fermi, jako pierwszy w roku 1942 wykorzystał rozszczepienie jądra atomowego oraz jego promieniotwórczość do skonstruowania reaktora jądrowego oraz doprowadził do kontrolowanej łańcuchowej reakcji. Powstała pierwsza bomba atomowa. Wykorzystano rozszczepianie jądra plutonu-239 i uranu-233. Powstała w późniejszym czasie bomba termojądrowa, która zawierała bombę jądrową. Temperatura 107K pozwala na reakcje syntezy jąder helu i izotopów wodoru oraz litu. Po eksplozji tego rodzaju bomby ma miejsce skażenie popromienne.

Promieniotwórczość znalazła także inne zastosowania. Reaktory jądrowe mogą być na szeroką skalę stosowane. Reaktory jądrowe ze względu na zastosowanie dzielimy na:

- produkcyjne, które służą m.in. do uzyskiwania plutonu za pomocą aktywacji. Ogólnie mówiąc można wytworzyć większość pierwiastków radioaktywnych;

- powielające, które charakteryzuje się tym, że paliwo jądrowe w trakcie zużycia jest przekształcane w inny rodzaj paliwa jądrowego;

 - doświadczalne, które są jak na razie prototypami nowych technologii stosowanych w reaktorach jądrowych;

- badawcze, które charakteryzują się małą mocą i są chętnie wykorzystywane w różnorakich badaniach naukowych, ze względu na swoje silne źródła neutronów;

- energetyczne, które są zdolne przekształcić energię cieplną w energię mechaniczną lub elektryczną. Stosowane w napędach nuklearnych okrętów lub w elektrowniach jądrowych.

Promieniotwórczość może być także wykorzystywana w medycynie. Izotopy promieniotwórcze są stosowane w metodach diagnostycznych wielu chorób (m.in. diagnostyka rentgenowska). Są prowadzone badania mające na celu wykazać wpływ lekarstw na organizm ludzki. Izotop 99Tc jest wprowadzany do organizmu człowieka w postaci związku chemicznego. Będąc w organizmie jest nieustannie monitorowany. Dzięki temu możemy zbadać funkcjonowanie określonych narządów. Bomba kobaltowa oraz igły radowe są stosowane w leczeniu chorób nowotworowych. W tym przypadku stosuje się naświetlenie, które jest wysyłane przez izotopy Ra, Co, Cs. Dużą popularność zyskuje balneologia, stosowana w uzdrowiskach. Są to kąpiele lecznicze i inhalacje. Stosowany jest w tych zabiegach Rn. Bomba kobaltowa może służyć służy do sterylizacji żywności, w diagnostyce (wykrywania defektów w kościach).

Innym zastosowaniem promieniotwórczości jest datowanie (określanie wieku skał oraz wykopalisk).

Promieniotwórczy izotop węgla 14C jest stosowany w badaniach archeologicznych. Występuje on w środowisku naturalnym w określonej ilości. Ulega asymilacji przez rośliny wspólnie z węglem promieniotwórczym pod postacią dwutlenku węgla. Znaczne jego ilości występują w organizmach ludzkich oraz zwierzęcych na skutek spożywania żywności pochodzenia roślinnego. Izotop ten jest stosowany do określenia wieku szczątków zawierających węgiel (liczne wykopaliska). Wiek ten jest określany na podstawie okresu półrozpadu oraz ilości węgla 14C. Może być stosowany także tzw. "zegar helowy".

Zastosowanie różnych rodzajów promieniowania

1. Promieniowanie X wykorzystywane jest w otrzymywaniu zdjęć rentgenowskich.

2. Promieniowanie IR wykorzystywane jest do leczenia klinicznego, ogrzewania ciała, opalania, różnych badań lekarskich, suszenia włosów.

3. Promieniowanie jonizujące wykorzystywane jest do zwalczania szkodników w rolnictwie. Powoduje wysterylizowanie samców. Po kopulacji samice nie wydają potomstwa, co doprowadza do wyniszczenia populacji szkodników na określonym terenie.

4. Promieniowania mikrofalowego wykorzystywane jest w mikrofalowych kuchenkach. Stosujemy lampę elektronową, która generuje mikrofale z częstotliwością 2,4 GHz. Promieniowanie działa na cząstki wody, które drgają w wyniku jego działania i wytwarzają ciepła. Promieniowania mikrofalowe używane jest także do transmisji danych. Nie ulega pochłonięciu przez atmosferę.

Bibliografia:

Internetowa Encyklopedia PWN.

Podręczna Encyklopedia PWN, Wydawnictwo Naukowe PWN.

 Grzegorz Fedorowski, „Człowiek istota poznana?”.

 Maria Litwin, Teresa Kulawik, Jan Kulawik, „Chemia dla gimnazjum, część 1”, Wydawnictwo Nowa Era.